Содержание к диссертации
Введение
1. Основы дискретного подхода к описанию деформации и разрушения гетерогенных материалов и сред в различных условиях нагружения 16
1.1. Проблемы моделирования гетерогенных материалов и сред 16
1.2. Интерфейсно контролируемые материалы и среды. Подходы к их теоретическому описанию 30
1.3. Метод подвижных клеточных автоматов как базовый инструмент для теоретического исследования отклика интерфейсных материалов и сред 3 7
2. Теоретическое изучение закономерностей отклика предварительно нагруженных интерфейсных сред 50
2.1. Описание модели интерфейсно контролируемых материалов в рамках метода МСА 50
2.2. Исследование влияния вибрационного воздействия на отклик предварительно нагруженных интерфейсных материалов 55
2.3. Влияние величины исходного напряженного состояния образца на деформационную способность образцов с интерфейсной структурой 69
3. Влияние структуры и поверхностных слоев интерфейсных материалов на их деформационный отклик при циклических воздействиях 80
3.1. Исследование влияния объемной доли границ раздела на деформационную способность интерфейсных материалов при вибрационном воздействии 80
3.2. Изучение роли физико-механических характеристик поверхностного слоя на деформационные свойства материалов с интерфейсно контролируемой структурой 87
4. Исследование отклика активных границ раздела в геологических блоковых средах на вибрационные воздействия 104
4.1. Теоретическое изучение влияния вибрационного воздействия и состояния границ раздела на отклик фрагментов зон сейсмоактивных разломов 104
4.1.1. Описание модели фрагмента зоны сейсмоактивного разлома 107
4.1.2. Исследование влияние параметров вибрационного воздействия (частоты и амплитуды) на отклик активной границы раздела 111
4.1.3. Влияние обводнения зоны разлома на режим относительных смещений блоков в условиях вибрационного воздействия 119
4.2. Результаты мониторинга смещений и натурных экспериментов в зонах разломов 120
4.3. Изучение зависимости силового отклика активных границ раздела от их напряженного состояния при вибрационных воздействиях 130
4.4. Изучение влияния напряженного состояния блочных сред на характер деформационного отклика активных границ раздела при динамических воздействиях 135
Основные результаты и выводы 153
Список литературы
- Интерфейсно контролируемые материалы и среды. Подходы к их теоретическому описанию
- Исследование влияния вибрационного воздействия на отклик предварительно нагруженных интерфейсных материалов
- Изучение роли физико-механических характеристик поверхностного слоя на деформационные свойства материалов с интерфейсно контролируемой структурой
- Исследование влияние параметров вибрационного воздействия (частоты и амплитуды) на отклик активной границы раздела
Введение к работе
Важным направлением механики и физики твердого тела является исследование процессов деформации и разрушения гетерогенных материалов и сред. Это связано с тем, что структура большинства существующих материалов характеризуется крайне неоднородным строением, в том числе наличием зерен, включений других фаз, дефектов и несплошностей различного типа на всех масштабных уровнях [1-3]. Важным структурным элементом гетерогенных материалов и сред, в существенной степени определяющим их механический отклик, являются границы раздела зерен, фаз, включений и т.д. При этом существует целый класс так называемых интерфейсно контролируемых (интерфейсных) материалов, деформационное поведение которых в значительной степени определяется процессами локализации деформации на границах раздела структурных элементов, а также способностью интерфейсных областей поглощать закачиваемую в процессе нагружения механическую энергию. Необходимо отметить, что класс интерфейсно контролируемых сред достаточно широк и включает в себя, в частности, наноструктурные, композиционные материалы, иерархически организованные блочные геологические среды [4-9] и т.д. Таким образом, можно видеть, что характерный масштаб структурных элементов интерфейсных материалов различной природы может составлять от долей микронов (в случае наноструктурных материалов) до десятков -тысяч километров (для литосферных плит в земной коре).
Несмотря на существование ряда общих закономерностей механического отклика интерфейсных материалов различной природы, механизмы их деформационного поведения различны и в существенной степени определяются характерными размерами структурных элементов, а также размерами и строением границ раздела. В качестве примера можно привести наноструктруные материалы, то есть материалы с высокой плотностью межзеренных границ, в которых реализация традиционных
5 дислокационных механизмов деформации в значительной степени
ограничена малыми размерами зерна [5,6]. Вследствие этого механический отклик наноструктурных материалов в значительной степени определяется процессами локализации необратимых деформаций на границах раздела структурных элементов. Необходимо отметить, что строение, физико-механические характеристики и термодинамическое состояние границ раздела в наноструктурных материалах в значительной степени определяют их уникальные прочностные, усталостные и другие физико-механические свойства [5,6,10]. Поэтому многие закономерности деформации и разрушения наноматериалов могут быть установлены на основе результатов теоретического и экспериментального исследования общих закономерностей поведения интерфейсно контролируемых сред.
Ярким представителем интерфейсно контролируемых сред на более высоком масштабном уровне являются геологические среды, основной особенностью строения которых является иерархическая организация блочной структуры [11,12]. Блоки горных пород разделены нарушениями
сплошности, масштаб которых заключен в весьма широком диапазоне: от 10" м (дефекты кристаллической решетки породообразующих минералов) до 107 м (протяженность крупных тектонических разрывов). За счет этого одним из основных механизмов деформирования геологической среды под действием внутреннего поля напряжений являются относительные смещения структурных элементов (блоков горных пород) по межблочным границам, которые представляют собой высокодефектный и менее прочный материал по сравнению с материалом самих блоков. Необходимо отметить, что исследование деформационных процессов, происходящих в геологических средах, представляет огромный интерес с позиций изучения общих закономерностей поведения интерфейсно контролируемых систем.
Таким образом, исследование общих закономерностей и особенностей поведения интерфейсных сред на разных масштабных уровнях является актуальной фундаментальной проблемой, поскольку позволяет расширить
существующие представления о сложных деформационных процессах, происходящих в таких системах, а также может способствовать развитию подходов к разработке новых материалов, обладающих уникальными прочностными и другими физико-механическими и эксплуатационными свойствами.
Несмотря на то, что современные экспериментальные методы в материаловедении в существенной степени позволяют исследовать механизмы деформации и разрушения сложных интерфейсных сред, их экспериментальное изучение зачастую связано с существенными трудностями. В частности, поведение интерфейсно контролируемых материалов определяется действием целого комплекса факторов на разных масштабных уровнях. Поэтому зачастую бывает проблематичным установить влияние конкретных структурных особенностей на макроскопический отклик материала при его деформировании. Кроме этого, при исследовании деформационных процессов в интерфейсных геологических средах трудности связаны еще и с чрезвычайно большими размерами изучаемых объектов, существенными временами протекающих событий, а также высокой сложностью проведения экспериментов. Поэтому теоретическое исследование особенностей поведения интерфейсно контролируемых материалов в сложных условиях нагружения с использованием методов численного моделирования позволит не только расширить существующие фундаментальные представления о механическом отклике таких систем, но и представляет интерес с точки зрения возможных практических приложений.
Хорошо известно, что характер деформации и разрушения твердого тела в существенной степени определяется видом напряженно-деформированного состояния и условиями нагружения. При этом важное значение имеет не только тип, но и режим нагружения. Ряд экспериментальных и теоретических данных свидетельствует о том, что вибрационные воздействия в существенной степени способны влиять на режим деформирования и разрушения гетерогенных материалов [13-15].
7 Поэтому представляется важным проведение теоретических исследований
особенностей деформации и разрушения интерфейсно контролируемых сред
в условиях периодических (вибрационных) воздействий.
Перспективным инструментом теоретических исследований сложных механических процессов в твердом теле является активно развивающийся в последнее десятилетие метод подвижных клеточных автоматов, являющийся представителем дискретного подхода в механике деформируемого твердого тела [16]. Выбор данного метода обусловлен рядом преимуществ при моделировании отклика сложных гетерогенных сред. Среди них необходимо отметить возможность непосредственного моделирования процессов зарождения и развития повреждений, формирования трещин, эффектов множественного разрушения и перемешивания масс.
Поэтому целью диссертационной работы является теоретическое
изучение на основе компьютерного моделирования основных закономерностей механического отклика интерфейсных материалов и сред, границы раздела которых характеризуются высокой деформационной способностью, в сложных условиях нагружения.
Для достижения указанной цели в работе ставились следующие задачи:
Изучить особенности механического отклика интерфейсных материалов, находящихся в сложном напряженном состояния, в условиях вибрационных воздействий.
Исследовать влияние изменения физико-механических свойств поверхностного слоя образцов интерфейсных материалов на их деформационный отклик.
Исследовать закономерности процессов деформирования и накопления повреждений на активной границе раздела элементов интерфейсной среды в сложных условиях нагружения.
Исследовать возможность оценки уровня локальных сдвиговых напряжений на активных границах раздела в блочных средах.
8 Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в
следующем:
В рамках метода подвижных клеточных автоматов предложена структурная модель интерфейсных материалов и сред для исследования закономерностей их механического отклика.
Показано, что вибрационное воздействие на предварительно нагруженные образцы интерфейсных материалов с частотами, превышающими первые моды собственных частот моделируемой системы, может приводить к увеличению их предельной деформации.
Показано, что повышение уровня предварительного нагружения образцов интерфейсно контролируемых материалов приводит к росту количества границ раздела, напряженное состояние которых близко к пределу упругости, и, как следствие, деформационной способности материала при вибрационном воздействии.
Показаны влияние свободной поверхности на распределение деформаций в нагружаемом образце и возможность управления этим распределением путем изменения свойств поверхностных слоев.
Теоретически и экспериментально показана возможность инициации относительных сдвиговых смещений в плавном режиме тектонического крипа по активным границам раздела в блочных геологических средах путем комбинированного воздействия, связанного с изменением физико-механического состояния границ и высокочастотным вибрационным воздействием.
Показана возможность диагностики уровня локальных сдвиговых напряжений во фрагментах активных границ раздела в блочных средах на основе анализа динамики изменения смещений, инициируемых динамическими воздействиями.
Научная и практическая ценность:
Предложенная в работе структурная модель интерфейсно
контролируемых материалов и сред, реализованная в рамках метода
подвижных клеточных автоматов, может быть успешно использована для теоретического изучения процессов деформации и разрушения различных гетерогенных структур в сложных условиях нагружения.
Полученные зависимости деформационного отклика модельных образцов интерфейсных материалов от частоты циклического воздействия и величины исходного напряженного состояния могут лечь в основу новых вибрационных методов обработки и повышения эксплуатационных характеристик различных элементов конструкций и механизмов, выполненных из таких материалов.
Результаты компьютерного моделирования влияния физико-механических свойств поверхностных границ раздела на деформационные характеристики интерфейсных материалов расширяют существующие представления о важной роли поверхности в процессе деформации гетерогенных материалов и сред.
Показанная в работе принципиальная возможность техногенного управления смещениями во фрагментах зон сейсмически активных разломов путем комбинированного воздействия обводнением и высокочастотных вибраций может лечь в основу новых сейсмически безопасных методов высвобождения накопленной в среде потенциальной энергии.
Предложенный подход к оценке близости относительного уровня локальных сдвиговых напряжений к критическому в высоконапряженных фрагментах активных границ раздела в блочных геологических средах может быть использован при разработке новых вибрационных методов диагностики их напряженного состояния.
Положения, выносимые на защиту: 1. Обоснование зависимости величины предельной деформации интерфейсно контролируемых материалов и сред от частоты вибрационного воздействия.
2. Возрастание величины предельной деформации образцов
интерфейсных материалов в условиях циклического воздействия при увеличении уровня предварительно приложенных напряжений.
Результаты, показывающие роль свободной поверхности в формировании периодического распределения деформаций и его влияние на величину деформационной способности образца.
Способ сейсмически безопасного снижения уровня локальных напряжений в геологических интерфейсных средах, основанный на изменении физико-механических характеристик границ раздела и использовании вибрационных воздействий.
Подход к диагностике уровня локальных сдвиговых напряжений во фрагментах активных границ раздела в блочных геологических средах на основе регистрации и анализа смещений, инициируемых динамическими воздействиями.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях по физической мезомеханике (г. Томск, 2004, 2006; Патрас, Греция, 2004), школах-семинарах молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития» (г. Томск, 2003, 2004, 2005), Международных научных студенческих конференциях «Студент и научно-технический прогресс» (г. Новосибирск, 2003, 2004), международной конференции «Computer Aided Design of Advanced Materials and Technologies» - CADAMT (г. Томск, 2003), Международной конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы механики» (г. Хабаровск, 2003), региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Техника. Инновации» (НТИ-2003) (г. Новосибирск, 2003), всероссийских конференциях молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (г. Томск, 2004, 2005), Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых
«Современные техника и технологии» (г.Томск, 2004), международных конференциях «Advanced Problems in Mechanics» - АРМ (г. Санкт-Петербург, 2003, 2004), всероссийских семинарах «Геомеханика и геофизика» (г. Новосибирск, 2004, 2005, 2006), Международных конференциях по вычислительной механике и современным прикладным программным системам «ВМСППС» (г. Алушта, Украина, 2005, 2007), международной конференции "Деформация и разрушение материалов" (г. Москва, 2006).
Основные результаты диссертации опубликованы в 13 статьях в рецензируемых российских и зарубежных научных журналах и трудах 16 региональных, всероссийских и международных научных конференций. Автор также является соавтором 1 патента Российской Федерации на изобретение №2273035. Перечень наименований этих работ частично представлен в списке цитируемой литературы [112,124-128,132,134,144,147, 149,158-161,163,168].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка цитируемой литературы, содержит 70 рисунков, 1 таблицу, библиографический список из 174 наименований - всего 171 страница.
Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель работы, перечислены новые результаты, раскрыта их практическая ценность, представлены положения, выносимые на защиту, описана структура диссертации.
В первом разделе диссертационной работы приведен обзор основных подходов к моделированию процессов деформации и разрушения гетерогенных материалов и сред, а также ряда проблем, связанных с необходимостью учета различных структурных факторов. Проведен сравнительный анализ основных методов моделирования механического поведения деформируемого твердого тела, используемых в рамках континуального и дискретного подходов. Рассмотрены наиболее широко используемые модели, применяемые при
12 описании неупругого отклика гетерогенных систем в рамках методов механики
сплошных сред и методов частиц. На основе анализа литературных данных дается определение класса так называемых интерфейсно контролируемых (или интерфейсных) материалов и сред, рассмотрены основные особенности их строения, а также механизмы деформации и разрушения на различных масштабных уровнях. Сделано заключение о существенном влиянии границ раздела структурных элементов на механический отклик таких материалов. Рассмотрены основные преимущества и недостатки некоторых континуальных и дискретных методов моделирования деформационных процессов в интерфейсных материалах и средах. Описаны основные преимущества метода подвижных клеточных автоматов, основной формализм метода, приведены общие выражения, описывающие взаимодействия подвижных клеточных автоматов и уравнения движения. Изложена реализация модели малых упруго-пластических деформаций в рамках метода подвижных клеточных автоматов. Показана перспективность использования метода подвижных клеточных автоматов для моделирования основных закономерностей отклика и разрушения интерфейсно контролируемых материалов, обусловленных его преимуществами. Во втором разделе на основе использования метода подвижных клеточных автоматов предложена качественная двумерная структурная модель для изучения закономерностей локализации необратимых деформаций на границах раздела структурных элементов интерфейсно контролируемых материалов и сред, межблочные области которых характеризуются высокой деформационной способностью. В рамках данной модели интерфейсный материал представляется в виде набора высокопрочных структурных элементов (блоков), разделенных границами раздела со свойствами, существенно отличающимися от свойств самих блоков. С использованием предложенной модели проведено изучение общих закономерностей механического отклика интерфейсных материалов на вибрационные воздействия при моделировании испытания на изгиб консольной балки. Показано, что вибрационное воздействие на предварительно нагруженные образцы с частотами, превышающими их
13 собственные значения, может приводить к существенному увеличению
деформационной способности интерфейсных материалов (их предельного
изгиба), а также их способности «поглощать» механическую энергию
нагружения без образования макротрещин. Данный эффект, в частности, связан с
увеличением объемной доли пластически деформирующихся границ раздела и
более плавным распределением необратимых деформаций в объеме материала
при высокочастотном воздействии. Это позволяет «размыть» концентратор
напряжений вблизи места закрепления образца и, как следствие, повысить
величину предельного изгиба. Показана важная роль исходного напряженного
состояния образцов (напряженного состояния перед приложением циклического
воздействия), определяющего объемную долю интерфейсных областей, в
которых уровень напряжений близок или превышает предел текучести материала
границы раздела. Продемонстрировано, что снижение уровня исходного
напряженного состояния приводит к снижению деформационной способности
образцов интерфейсных материалов при вибрационном воздействии во всем
интервале рассматриваемых частот нагружения.
В третьем разделе на основе развитой ранее модели проведено
теоретическое изучение влияния размера структурных элементов и
модификации физико-механических свойств поверхностных слоев на
деформационный отклик интерфейсно контролируемых материалов на
вибрационные воздействия при испытании на изгиб консольной балки.
Показано, что уменьшение размеров структурных элементов в интерфейсном
материале приводит к существенному увеличению его деформационной и
«диссипативной» способностей, особенно в условиях высокочастотного
вибрационного воздействия. Причиной этого, в частности, является то, что
уменьшение размера блоков приводит к увеличению объемной доли
пластически деформирующихся интерфейсных областей и, как следствие,
увеличению величины предельной деформации модельных образцов.
Модификация поверхности в работе проводилась путем изменения
параметров функции отклика (модуля Юнга, предела упругости и предельной
14 деформации) границ раздела, лежащих в тонких приповерхностных слоях.
Показано, что одновременное пропорциональное уменьшение модуля Юнга
и предела упругости поверхностных интерфейсных областей приводит к
росту деформационной способности образцов интерфейсно контролируемых
материалов при циклическом воздействии. Данный эффект, в первую
очередь, связан с тем, что в модифицированных образцах в процесс
пластической деформации вовлекается большее количество границ раздела,
что позволяет им претерпевать большую степень изгиба. В то же время
уменьшение величины предельной деформации поверхностных границ
Интерфейсно контролируемые материалы и среды. Подходы к их теоретическому описанию
Яркими представителями гетерогенных материалов и сред являются так называемые интерфейсные материалы и среды (материалы с интерфейсной внутренней структурой). К данным системам относятся материалы и среды, механическое поведение которых контролируется (или полностью определяется) деформационными характеристиками границ раздела их структурных элементов. Поэтому их еще часто называют интерфейсно контролируемыми [60]. К классу интерфейсных могут быть отнесены материалы и среды как естественного, так и искусственного происхождения, размеры структурных элементов (блоков) которых варьируются от нанометров (в случае наноструктурных и нанокомпозиционных материалов [4-7,10,61-66]) до десятков километров (крупные тектонические разрывы земной коры [8-9,67-69]). Общим для всех материалов этого класса является то, что они состоят из большого числа структурных элементов (зерен, дисперсных частиц, блоков горных пород и т.д.), разделенных некоторой прослойкой, физико-механические свойства которой существенно отличаются от свойств самих блоков. Отметим, что в настоящее время интерфейсно контролируемые материалы и среды являются объектом широкого экспериментального и теоретического изучения.
Главной особенностью деформационного отклика материалов с интерфейсной внутренней структурой на механические воздействия является высокая степень локализации деформации на границах раздела структурных элементов. При этом сами элементы деформируются, главным образом, в упругой области и в некотором приближении могут рассматриваться как жесткие блоки. Такое различие в деформационной способности блоков и границ раздела приводит к тому, что преимущественным механизмом деформации интерфейсных материалов является относительный сдвиг или поворот структурных элементов. Причины блокирования деформационной способности структурных элементов различны для разных систем. Так, в случае наноструктурных материалов ограничение традиционных дислокационных механизмов деформации в объемах зерен связано с их малыми размерами [4-6,10,70-71]. Вследствие этого на первый план выходят зернограничные процессы, обеспечивающие деформацию на более высоком мезоструктурном уровне, а именно путем относительных смещений структурных элементов [4-6]. В материалах и средах, размеры структурных элементов которых относятся к более высоким масштабным уровням, локализация деформаций в интерфейсных зонах, как правило, связана со значительным различием упругих и прочностных характеристик блоков и границ раздела. Такие среды также называют блочными. Примером блочной среды является иерархически организованная земная кора, структурными элементами которой являются блоки горных пород различных размеров, разделенные трещинами и разломами различной протяженности и глубины. Сдвиговая жесткость и прочность этих границ раздела, как правило, на порядки ниже соответствующих характеристик разделяемых ими блоков [9,72]. Поэтому значительные деформационные процессы в геосреде реализуются в форме относительных нормальных и тангенциальных перемещений блоков.
Несмотря на различие конкретных физических причин локализации деформаций на границах раздела структурных элементов, общей отличительной особенностью аккомодации интерфейсных материалов и сред к механическому нагружению является облегченное (в сравнении с другими механизмами) относительное «проскальзывание» структурных элементов. Это связано с тем, что обычно границы раздела блоков в интерфейсных материалах представляют собой сильно пластически деформированный материал с большой плотностью дефектов или повреждений [5,7,73,74], вследствие чего их локальное сопротивление сдвигу является пониженным.
Преимущественная реализация такого механизма деформирования и определяет основное отличие макроскопических свойств интерфейсно контролируемых материалов [4-6,75-77].
Таким образом, границы раздела структурных элементов играют доминирующую роль в процессах деформации и разрушения интерфейсно контролируемых материалов и сред. Поэтому при моделировании отклика таких систем особое внимание необходимо уделять проблеме корректного описания интерфейсных областей. Отметим, что при построении модели таких сред желательно явным образом учитывать наличие границ раздела, то есть задавать их ансамблем расчетных элементов (частиц или узлов сетки) с уникальными свойствами. Это связано с тем, что на отклик материалов влияют не только свойства и термодинамическое состояние, но и объемная доля границ раздела. В частности, можно привести количественную оценку доли границ раздела Vint в наноструктурных материалах, сделанную в работе [6]. Если принять, что зерна имеют кубическую или сферическую форму, то Vint может быть оценена из соотношения ЗА/d (где А - средняя толщина интерфейсной зоны, a d- средний размер зерна). С учетом того, что величина А составляет порядка 0,5-1,5 нм (3-4 атомных монослоя), то Vint=3% при /=100 нм, И,-„г=30% при ЙИО нм и 1 =50% при d=5 нм.
Необходимо отметить, что способ описания интерфейсных областей будет определяться методом и масштабным уровнем моделирования. В связи с этим в последнее время развиваются различные модели для теоретического изучения различных интерфейсно контролируемых материалов и сред. При этом особенности развиваемых моделей определяются как масштабом структурных элементов, так и физическими механизмами локализации деформации на границах раздела.
Исследование влияния вибрационного воздействия на отклик предварительно нагруженных интерфейсных материалов
Влияние вибрационных воздействий на термодинамическое состояние и поведение различных материалов и сред хорошо известно [13,14,113] и в настоящее время широко используется в мировой практике. Примерами этому являются ультразвуковая обработка материалов [5,114,115], использование вибрации при транспортировке сыпучих сред [116,117], обработка поверхностей хрупких материалов [118], виброуплотнение строительных смесей [119] и другие. Хорошо известно также влияние вибрационных воздействий на процесс трения контактирующих поверхностей [120,121]. Следует отметить, что эффект вибраций на режим относительного смещения по границам раздела имеет важное значение не только в трибологии, но актуален для интерфейсных сред различной природы, в которых прочностные характеристики межблоковых интерфейсов существенно ниже соответствующих характеристик структурных элементов. Поэтому в настоящей работе проводилось изучение общих закономерностей деформационного отклика нагруженных интерфейсных сред при вибрационных воздействиях. При этом следует подчеркнуть важную роль нагруженности, которая связана с тем, что в условиях близости напряженного состояния фрагмента материала или среды к пределу текучести даже слабые воздействия способны инициировать накопление в нем необратимых деформаций [15,122,123]. Отметим, что интерес к отклику напряженных материалов связан с тем, что многие детали машин и механизмов и элементы конструкций в ходе эксплуатации испытывают значительные внешние статические нагрузки. Аналогичная ситуация имеет место и для геологических сред, находящихся в сложном и крайне неоднородно распределенном напряженном состоянии. В соответствии с этим целью работы являлось изучение общих закономерностей отклика нагруженных интерфейсных сред при вибрационных воздействиях. Для изучения общих закономерностей отклика интерфейсных материалов и сред, находящихся в сложных условиях нагружения, было проведено моделирование испытания (теста) на изгиб консольной балки, пример которой приведен на рисунке 2.4 а. Выбор изгибного нагружения связан с тем, что в этом случае в модельном гетерогенном образце реализуется крайне сложное напряженно-деформированное состояние. При этом применялась базовая структурная модель интерфейсных материалов, явно учитывающая наличие и свойства границ раздела блоков (рис.2.1). В работе рассматривались двумерные образцы с отношением линейных размеров L:H=3:\ (где L-3 см - длина образца, Н=\ см - высота). Один из них с соотношением размера блоков к толщине интерфейсных зон ж 7:1 (размер блоков 0,119х#, диаметр подвижных клеточных автоматов равен 0,17 мм) приведен на рисунке 2.4. Структура межблочных интерфейсов, функции отклика и физико-механические характеристики клеточных автоматов блоков и границ раздела модельного материала те же, что и на рисунке 2.1 и в таблице 2.1.
Исследовался отклик образцов, нагруженных с постоянной силой, на циклическое нагружение, имитирующее периодическое ударное воздействие. Использовалась следующая схема нагружения. Левый край образца фиксировался неподвижным зажимом (рис.2.4). Нагружение свободного правого края осуществлялось движением нагружающего элемента и задавалось в 2 стадии. На первой из них (стадии задания исходного напряженного состояния системы) к нагружающему элементу прикладывалась постоянная сила F0, направленная вертикально вниз, и система выдерживалась до установления силового равновесия (рис.2.5а). Значение силы выбиралось таким образом, чтобы к моменту установления в системе силового равновесия (to) в значительной части прослоек достигался предел текучести. При этом достигалось некоторое начальное смещение нагружающего элемента d0. Важно отметить, что сила Fo действует на протяжении всего времени нагружения.
На втором этапе нагружения, после наступления в системе силового равновесия, к нагруженному образцу, помимо постоянно действующей силы, F0 прикладывалась вибрационная нагрузка, которую можно представить в следующей форме (рис. 2.6):
Изучение роли физико-механических характеристик поверхностного слоя на деформационные свойства материалов с интерфейсно контролируемой структурой
Физико-механические свойства материалов с интерфейсной структурой (в частности, прочность и пластичность) определяются целым рядом факторов, таких как размер структурных элементов, строение и свойства границ раздела и т.д. [6]. Управление внутренней структурой материала связано со значительными трудностями и зачастую требует изменения технологии или даже способов его получения. Поэтому одним из перспективных способов изменения физико-механических свойств интерфейсных материалов является модификация их поверхностных слоев [65,133]. Важным преимуществом данного подхода является отсутствие необходимости изменения свойств во всем объеме материала. При этом, поскольку механизмы деформации в интерфейсных материалах могут быть различными, представляет интерес выявление закономерностей влияния основных параметров механического отклика поверхностных слоев (в частности, модуля Юнга, предела текучести, величина предельной деформации и др.) на макроскопические свойства материала в целом. В данной работе на основе компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов проведено теоретическое исследование влияния модификации поверхности предварительно нагруженных образцов интерфейсных материалов на их деформационный отклик при вибрационных воздействиях.
Для решения поставленной задачи использовалась структурная модель интерфейсного материала, показанная на рисунке 3.7 а. Как видно из рисунка, моделируемый образец имеет сложную внутреннюю структуру, аналогичную описанной в предыдущем разделе (рис. 2.4 а).
В задаче, так же как и ранее, рассматривался модельный материал, упругие характеристики компонентов которого были близки к соответствующим параметрам титана (физико-механические свойства блоков и границ раздела приведены в таблице 2.1). Функции отклика клеточных автоматов, моделирующих элементы и границы раздела, приведены на рисунке 3.7 б. Моделируемый образец имел то же соотношение линейных размеров, что и в предыдущих расчетах (1,://=3:1, где L - длина образца, Н -высота). Размер структурных элементов равнялся 0,051 Для исследования влияния физико-механических свойств поверхностных слоев интерфейсно контролируемых материалов на их механический отклик в работе производилась модификация поверхностных слоев толщиной 0,075 хЯ (рис. 3.7 а). Модификация заключалась в одновременном изменении модуля Юнга (Esurf) и предела упругости (с "г/) функции отклика автоматов границ раздела пропорционально безразмерному параметру модификации модуль Юнга и предел упругости исходного (немодифицированного) материала интерфейсных областей. При этом полагалось, что модификация поверхности не приводит к изменению размеров структурных элементов и границ раздела. На рисунке 3.7 б показаны четыре функции отклика (кривые 2), соответствующие модифицированным (А=1) и модифицированным (К= 1,2, #=0,8 и К - 0,6) границам раздела блоков. Можно видеть, что изменение упругих характеристик функции отклика по указанному закону сопровождается изменением степени упрочнения в области неупругих деформаций. При этом величина прочности и предельной деформации материала границ раздела остается неизменной. Следует отметить, что в случае наноструктурных материалов подобная модификация поверхностных слоев может достигаться направленным зернограничным легированием [5].
В расчетах использовались те же граничные условия, что и в предыдущих расчетах, связанных с моделированием теста на изгиб консольной балки. Слева образец фиксировался неподвижным зажимом (рис. 3.7а). Нагружение свободного правого края осуществлялось движением нагружающего элемента и было двухстадийным (рис. 2.5). На первой стадии к нагружающему элементу прикладывалась постоянная сила F0, направленная вертикально вниз, и система «выдерживалась» вплоть до установления силового равновесия. На второй стадии к нагружающему элементу прикладывалась вибрационная нагрузка по закону (2.1). Для решения поставленной задачи в проведенных расчетах варьировались частота вибрационного воздействия v в пределах от 0 до 5XV\VL параметр модификации функции отклика границ раздела К от 0,6 до 1,2.
Исследование влияние параметров вибрационного воздействия (частоты и амплитуды) на отклик активной границы раздела
В разделе 1 отмечалось, что к классу интерфейсных материалов принадлежат так называемые блочные среды, ярким представителем которых является земная кора (ее структуру также называют разломно-блоковой). Как правило, такие среды находятся в макроскопически стесненных условиях, однако локальное напряженно-деформированное состояние их фрагментов может быть различным и включать в себя компоненты растяжения, сжатия, сдвига, изгиба и т.д. Характерной особенностью блочных сред является иерархическая многоуровневая организация их структуры [8,9,11,136,137]. Каждый участок земной коры представляет собой совокупность структурных элементов (блоков горной породы), разделенных нарушениями сплошности разного масштаба (разломов, зон трещинноватости, трещин и т.д.). Межблочные области обычно имеют значительно более низкие эффективные прочностные характеристики, нежели материал самих блоков. Это приводит к тому, что «раз возникнув, они многократно «используются», обеспечивая массиву большую подвижность... трещины, разломы и блочное строение не просто следы разрушения, а способ существования горного массива при больших необратимых деформациях» [138]. Механизмы реализации упругой энергии геосреды, находящейся в сложнонапряженном стесненном состоянии, могут быть различными. Среди них можно выделить дилатансионный (связанный с формированием и развитием системы несплошностей в массиве горных пород), накопление необратимых деформаций (что может иметь место даже в хрупких геоматериалах в стесненных условиях и при повышенных температурах), упрочнение материала (понимаемое как способность претерпевать большие критические напряжения без дополнительной фрагментации), а также относительное перемещение блоков земной коры по границам раздела [139]. Несмотря на различия, перечисленные способы связаны с возможностью и условиями реализации относительных перемещений фрагментов среды на различных масштабных уровнях. Поэтому очевидно, что иерархическая интерфейсная организация геосреды обеспечивает ее относительно высокую деформационную способность в целом.
Наиболее интенсивные деформационные, геофизические и геохимические процессы в земной коре происходят на границах раздела структурно-тектонических блоков в зонах активных разломов [9,140]. Режим и скорости относительных смещений блоков по активным границам раздела определяются особенностями структуры и локального напряженного состояния, а также внешними природными и техногенными факторами [11,141,142]. Как показали результаты исследования особенностей деформации и разрушения интерфейсных материалов, находящихся в сложном напряженном состоянии (раздел 2), знакопеременные воздействия с частотой, превышающей собственные для рассматриваемого образца, могут «стимулировать» рост деформационной способности за счет значительного увеличения доли межблочных границ, вовлеченных в процесс необратимого деформирования. При этом цикличность нагружения приводит к накоплению необратимых деформаций даже при малых амплитудах воздействия. Поэтому можно предположить, что вибрационное воздействие на высоконапряженный участок активного разлома может способствовать инициации или ускорению сдвиговых смещений в направлении, определяемом локальным полем напряжений в данном фрагменте геосреды.
В работах [15,85] показано, что характерные скорости и амплитуды относительных перемещений блоков определяются, главным образом, исходным напряженным состоянием интерфейсной зоны. При этом слабые циклические воздействия способны как инициировать смещения, так и ускорять их из-за снижения эффективной жесткости и вязкости зоны контакта блоков. В [85] предложена феноменологическая модель напряженного контакта, наглядно иллюстрирующая различные режимы накопления межблоковых деформаций. На ее примере также показана роль вибрации как своеобразного «деформационного насоса», провоцирующего относительные смещения элементов среды при достижении сдвиговыми напряжениями на контакте текущего предельного значения. В работе [144] показано, что низкоамплитудные периодические воздействия могут приводить к снижению силы сопротивлению сдвига, причем величина снижения зависит от ряда факторов, и в том числе от амплитуды вибрации.
Характер относительного движения структурных элементов в разломно-блоковых средах в значительной степени определяется физико-механическими характеристиками (состоянием) активных интерфейсных зон. Поэтому следует ожидать, что, изменяя состояние границы раздела блоков, можно управлять механизмами релаксации локальных напряжений. Поскольку проницаемость межблочных областей в геосреде на несколько порядков выше, чем в объеме блоков, то изменение состояния зон разломов может быть достигнуто, например, их обводнением. Это косвенно подтверждается наблюдаемой в ряде регионов корреляцией сейсмической активности и уровня подземных вод [145,146].
